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    半月谈 | 中国科学家为引力子画像

    发布时间:2024-05-17 点击次数: 作者:陈席元 责编:朝翠 王晓艳 来源:新华社客户端

    今年3月,国际顶级学术期刊《自然》发表的一篇论文引发学术界轰动:南京大学杜灵杰教授领导的国际团队报告,首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”。大家在中学物理课上都接触过原子、电子,引力子又是什么?为何给引力子“画像”如此重要?

    杜灵杰教授(左二)和学生讨论实验工作

    举足轻重的引力子

    引力子究竟是什么?

    今日物理学界的共识是,宇宙中存在4种相互作用:电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用以及万有引力相互作用。科学家推测,这些相互作用都是由信使媒介粒子传递的,比方说,我们最熟悉的电磁力就由光子传递。而引力子,就是万有引力相互作用的媒介粒子。

    当然,要理解引力子,我们还需要回溯一段物理学史。

    1913年,爱因斯坦提出万有引力场论,认为任何带有质量的物体周围都存在引力场。引力场通过引力波传播,而引力波的传播媒介正是引力子。2016年,人类在两个黑洞碰撞、合并的过程中,首次直接探测到引力波,证实了爱因斯坦的预言。只是引力子到底什么样,科学家还一直弄不清楚。

    此前,国际物理学界寄望于一系列探索宇宙的大科学装置,如美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲“室女座”(Virgo)引力波探测器,直接在宇宙中发现引力子的踪迹。不过,正应了那句古话,“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”,让物理学界意想不到的是,首先看到引力子影踪的地方,居然是地球上一间小小的凝聚态物理实验室。

    实验过程艺术想象图

    一个无心插柳的故事

    杜灵杰接受的专门物理学训练,从量子物理开始,后来又转入半导体物理领域。他与引力子的缘分,要从博士后研究时期说起。

    2016年,博士毕业的杜灵杰来到哥伦比亚大学,投入低温光学的研究。在此,他开始接触到凝聚态物理的一大前沿课题——分数量子霍尔效应。这一效应只有在低温强磁场的条件下才能观察到,杜灵杰所在的实验室正具备条件。

    2019年上半年,他与合作者在分数量子霍尔效应中观察到一种新的集体激发——也就是大量电子集体性的能量跃迁。打个比方来说,就像宁静湖面上突然激起不可胜数、多姿多样的涟漪。没成想,最为这一成果感到激动的是理论物理领域的同行,他们认为这可能是分数量子霍尔效应引力子存在的证据。

    分数量子霍尔效应之所以引无数凝聚态物理学家竞折腰,就在于它关乎量子力学中许多极其微妙的现象。其中,就有规律与引力子类似的“分数量子霍尔效应引力子”。有科学家打趣,称之为引力子在凝聚态世界的“投影”。不过,就像我们很难捉住自己的影子一样,想要了解这一玄之又玄的“投影”,科学家几十年来还没有什么办法。

    回国在即的杜灵杰,会是把握住这次“画像”良机的那个人吗?

    推开“窗户”的一刻

    2019年,杜灵杰回到母校南京大学。白手起家的他,心里装的大问题,还是分数量子霍尔效应引力子。

    实验必需的液氮获取不易,迫使他改变技术路线;中国南方的潮湿环境往往会折损激光的效果,他只能和同事们反复想办法调试……克服了一个又一个难关,杜灵杰在南大搭起的实验装置足有两层楼高,这时,已是2022年8月。

    为理想冲刺的机会到了。“2022年12月17日,我把自己关在房间里,回顾了4个月来的所有实验数据,当天下午,我找到了分数量子霍尔效应中那个最有可能是引力子激发的微弱信号。”杜灵杰至今还清晰记得机遇终于叩响房门的时间。根据这个信号,杜灵杰和团队如愿测量到引力子激发。

    不过,将发现写成论文投给《自然》,说服物理学界同行的过程不无曲折——一年的审稿时间里,杜灵杰需要反复回应审稿人关于“证据不足”的质疑。

    2023年7月,在西班牙圣塞巴斯蒂安举行的一场国际会议上,有权威物理学者问他:引力子激发的自旋为2,那是不是所有自旋为2的激发,都是引力子激发呢?

    就好比说,黑夜里我们看到山顶有亮光,便会认为那里有人擦亮了火柴吗?也可能仅仅是萤火虫的聚集而已。

    “这个问题把我问住了。”杜灵杰坦言,“分数量子霍尔效应中的引力子激发到底有哪些特征?这个问题还关系到其特征能量,而特征能量的问题就像一块‘硬骨头’,梗在凝聚态物理中30多年,之前大家都在回避,我们第一稿也回避了它,这正是审稿人要退稿的原因。”

    要确认引力子激发的特征能量,需要测量到更小动量的激发,而这必须以重新设计实验为前提。所幸,当初因为缺少液氮不得已采用的“干式路线”,恰恰有利于探测到更低的激发动量,一切如同天意。

    2024年1月,在一场新加坡举行的低温物理国际会议上,面对全球研究分数量子霍尔效应的顶尖专家,杜灵杰亮出了在砷化镓量子阱中观察到的新证据,从自旋、动量、能量三个角度,充分回应了此前的质疑。听到热烈的掌声,杜灵杰明白,他已经推开了一扇探究引力子物理的全新“窗户”。

    透过窗户,还能看到什么?杜灵杰和他的同伴们充满好奇,也充满力量。

    来源:《半月谈》2024年第9期